(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬似弾性波が伝播するよう構成された表面を有する、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板と、
前記圧電基板の表面の一部に設けられた櫛歯電極と、
前記櫛歯電極を覆いかつ前記圧電基板の前記表面に設けられた五酸化タンタルからなる誘電体層と、
を備え、
前記圧電基板における回転Ｙ板のカット角が２．５度以上２２．５度以下であり、
前記誘電体層の膜厚Ｈの前記擬似弾性波の中心周波数の波長λに対する比Ｈ／λが０．０３４〜０．１２６である、弾性波素子。
【請求項２】
前記カット角が２．５度以上７．５度未満であり、前記比Ｈ／λが０．０３４〜０．１２６である、請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項３】
前記カット角が７．５度以上１２．５度未満であり、前記比Ｈ／λが０．０３４４〜０．１２６である、請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項４】
前記カット角が１２．５度以上１７．５度未満であり、前記比Ｈ／λが０．０３４５〜０．１２２である、請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項５】
前記カット角が１７．５度以上２２．５度以下であり、前記比Ｈ／λが０．０３４６〜０．１１８である、請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項６】
前記比Ｈ／λが０．０３４４以上０．１２３以下である、請求項１に記載の弾性波素子。
【請求項７】
前記カット角が２．５度以上７．５度未満であり、前記比Ｈ／λが０．０３８〜０．１２３である、請求項６に記載の弾性波素子。
【請求項８】
前記カット角が７．５度以上１２．５度未満であり、前記比Ｈ／λが０．０３４４〜０．０７１である、請求項６に記載の弾性波素子。
【請求項９】
前記カット角が１２．５度以上１７．５度未満であり、前記比Ｈ／λが０．０３４５以上０．０４８以下の範囲内にある、請求項６に記載の弾性波素子。
【請求項１０】
前記カット角が１７．５度以上２２．５度以下であり、前記比Ｈ／λが０．０３４６以上０．０３７以下である、請求項６に記載の弾性波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話等の通信機器に用いられる弾性波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来の弾性波素子５０１の断面図である。弾性波素子５０１は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板１と、圧電基板１上に設けられた櫛歯電極２と、櫛歯電極２を覆うＳｉＯ２からなる誘電体層３とを備える。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２０９４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の弾性波素子５０１で誘電体層３と圧電基板１との境界を伝搬する弾性波における漏れの発生を抑制するためには、圧電基板１内を伝搬する遅い横波の音速よりも圧電基板１の表面の音速を小さくする必要がある。そのためには誘電体層３の膜厚を充分に大きくする必要がある。しかし、膜厚が大きいほどリーキー波の電気機械結合係数が低くなり、その結果、広帯域化が困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、広帯域な弾性波素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
弾性波素子は、擬似弾性波が伝播するよう構成された表面を有する圧電基板と、圧電基板の表面の一部に設けられた櫛歯電極と、櫛歯電極を覆いかつ圧電基板の表面に設けられた誘電体層とを備える。圧電基板はニオブ酸リチウムからなる。誘電体層は五酸化タンタルからなる。圧電基板における回転Ｙ板のカット角が２．５度以上２２．５度以下である。誘電体層の膜厚Ｈの、圧電基板を伝播する擬似弾性波の中心周波数の波長λに対する比Ｈ／λが０．０３４〜０．１２６である。
【発明の効果】
【０００８】
この構成により、漏れが生じない最低限度の膜厚を担保すると共に、ＳｉＯ2を誘電体層として用いるよりも高い結合係数を担保する構成を実現することができ、その結果として、弾性波素子の広帯域化を実現することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態１における弾性波素子の上面図、（Ｂ）は図１Ａに示す弾性波素子の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図、（Ｃ）は実施の形態１における弾性波素子を伝播する弾性波を示す断面図
【図２】比較例の弾性波素子の誘電体層の膜厚と音速との関係を示す図
【図３】比較例の誘電体層の膜厚と電気機械結合係数との関係を示す図
【図４】比較例の弾性波素子の誘電体層の膜厚と電気機械結合係数との関係を示す図
【図５】実施の形態１における弾性波素子の誘電体層の膜厚と音速との関係を示す図
【図６】実施の形態１における誘電体層の膜厚と電気機械結合係数との関係を示す図
【図７】実施の形態１における誘電体層の膜厚と電気機械結合係数との関係を示す図
【図８】実施の形態１における誘電体層の膜厚と電気機械結合係数との関係を示す図
【図９】実施の形態２における弾性波素子における電気機械結合係数と誘電体層の膜厚との関係を示す図
【図１０】実施の形態２における弾性波素子の誘電体層の膜厚を示す図
【図１１】実施の形態２における他の弾性波素子の誘電体層の膜厚を示す図
【図１２】従来の弾性波素子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１における弾性波素子１００１の上面図である。図１Ｂは図１Ａに示す弾性波素子１００１の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。弾性波素子１００１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる圧電基板１１と、圧電基板１１の表面１１Ａの一部１１Ｃに設けられた櫛歯電極１２と、櫛歯電極１２を覆うように圧電基板１１の表面１１Ａに設けられた誘電体層１３とを備える。誘電体層１３は五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）よりなる。圧電基板１１には、回転Ｙ板のカット角が２．５度以上２２．５度以下の基板が用いられる。
【００１１】
図１Ｃは圧電基板１１の表面１１Ａに沿って方向１００１Ａに伝播する擬似弾性波Ｗを示す断面図である。このように、圧電基板１１の表面１１Ａは擬似弾性波Ｗが伝播するよう構成されている。図１Ａに示すように、櫛歯電極１２は方向１００１Ａに直角に延びる複数の電極指１２Ａを有する。擬似弾性波Ｗは表面１１Ａと平行な方向に圧電基板１１と誘電体層１３とを変位させるＳＨ波である。誘電体層１３の膜厚Ｈの圧電基板１１における擬似弾性波の動作中心周波数の波長λに対する比Ｈ／λは０．０３４〜０．１２６の範囲内である。櫛歯電極１２は高周波化に伴い高精度でパターニングできるように、比較的質量の小さいアルミニウムよりなる。これにより、表面１１Ａに直角の方向の電極１２の膜厚Ｔの製造ばらつきによる周波数変動を低減することができる。
【００１２】
以下に、誘電体層１３の膜厚Ｈについて説明する。図１Ｂにおける、アルミニウムよりなる櫛歯電極１２の膜厚Ｔの波長λに対する比Ｔ／λを０．０８に設定して図１Ａと図１Ｂに示す構造を有し、圧電基板１１の回転Ｙ板のカット角ＣＡが５度、１０度、１５度、２０度、２５度の弾性波素子１００１の実施例１の試料を作製した。また、同様に、実施例１の試料の誘電体層１３をＳｉＯ２よりなる誘電体層に置き換えた比較例の試料を作製した。Ｓｍｉｔｈ定数をＬｉＮｂＯ３の材料定数として用い、試料の音速をＣａｍｐｂｅｌｌらの方法で計算した。
【００１３】
図２は、弾性波素子の比較例の試料の誘電体層の、圧電基板の表面に直角の方向の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λとＳＨ波の音速Ｖ１との関係を示す。図２は、Ｓｍｉｔｈ定数を用いて算出した圧電基板１１の表面１１Ａ上を伝搬する遅い横波の音速Ｖ２を併せて示す。音速Ｖ２は４０５５ｍ／ｓである。音速Ｖ２よりもＳＨ波の音速Ｖ１を遅くすることにより、圧電基板１１の表面１１Ａを伝播する弾性波の漏れの発生を抑制することができる。図２に示すように、音速Ｖ２よりも音速Ｖ１が遅くなる条件を満たす膜厚Ｈは以下のように設定される。回転Ｙ板のカット角ＣＡが５度の場合は誘電体層１３の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λの値は０．３２８以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１は０．３２８である。同様にカット角ＣＡが１０度の場合は比Ｈ／λは０．３３５以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１は０．３３５である。カット角ＣＡが１５度の場合は比Ｈ／λは０．３３８以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１は０．３３８である。カット角ＣＡが２０度の場合は比Ｈ／λは０．３４１以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１は０．３４１である。カット角ＣＡが２５度の場合は比Ｈ／λは０．３４４以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１は０．３４４である。
【００１４】
図３は比較例の試料の比Ｈ／λと電気機械結合係数ｋ２との関係を示す。図３に基づいて、比Ｈ／λの値が最小値Ｒｍｉｎ１であるときの、カット角ＣＡと電気機械結合係数ｋ２の関係が得られる。図４は、カット角ＣＡと比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１と電気機械結合係数ｋ２との関係を示す。図４に示すように、カット角ＣＡが５度でありかつ比Ｈ／λの値が０．３２８である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．０９５である。カット角ＣＡが１０度でありかつ比Ｈ／λの値が０．３３５である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．０９１である。カット角ＣＡが１５度でありかつ比Ｈ／λの値が０．３３８である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．０８８である。カット角ＣＡが２０度でありかつ比Ｈ／λの値が０．３４１である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．０８３である。カット角ＣＡが２５度でありかつ比Ｈ／λの値が０．３４４である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．０７６である。
【００１５】
同様に、Ｔａ２Ｏ５よりなる誘電体層１３を備えた弾性波素子１００１の実施例１の試料について、弾性波の漏れの発生を抑制する最低限の膜厚Ｈの値と、その値に対応する電気機械結合係数ｋ２との関係を導き出す。
【００１６】
図５は、弾性波素子１００１の実施例１の試料の誘電体層１３の、圧電基板１１の表面１１Ａに直角の方向の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λとＳＨ波の音速Ｖ３との関係を示す。図５は、Ｓｍｉｔｈ定数を用いて算出した圧電基板１１の表面１１Ａ上を伝搬する遅い横波の音速Ｖ２を併せて示す。音速Ｖ２は４０５５ｍ／ｓである。音速Ｖ２よりもＳＨ波の音速Ｖ３を遅くすることにより、圧電基板１１の表面１１Ａを伝播する弾性波の漏れの発生を抑制することができる。図５に示すように、音速Ｖ２よりも音速Ｖ３が遅くなる条件を満たす膜厚Ｈは以下である。回転Ｙ板のカット角ＣＡが５度の場合は誘電体層１３の膜厚Ｈの波長λに対する比は０．０３４以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２は０．０３４である。同様に、カット角ＣＡが１０度の場合は比Ｈ／λは０．０３４４以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２は０．０３４４である。カット角ＣＡが１５度の場合は比Ｈ／λは０．０３４５以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２は０．０３４５である。カット角ＣＡが２０度の場合は比Ｈ／λは０．０３４６以上であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２は０．０４３６である。カット角ＣＡが２５度の場合は比Ｈ／λは０．０３４７であり、すなわち、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２は０．０３４７である。
【００１７】
図６は実施例１の試料の比Ｈ／λと電気機械結合係数ｋ２との関係を示す。図６に基づいて、比Ｈ／λの値が最小値Ｒｍｉｎ２であるときの、実施例１の弾性波素子１００１のカット角ＣＡと電気機械結合係数ｋ２の関係が得られる。図７は、実施例１の弾性波素子１００１のカット角ＣＡと比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２と電気機械結合係数ｋ２との関係を示す。図７に示すように、カット角ＣＡが５度でありかつ比Ｈ／λの値が０．０３８である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．２０４である。カット角ＣＡが１０度でありかつ比Ｈ／λの値が０．０３４４である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．２００である。カット角ＣＡが１５度でありかつ比Ｈ／λの値が０．０３４５である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．１９１である。カット角ＣＡが２０度でありかつ比Ｈ／λの値が０．０３４６である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．１７９である。カット角ＣＡが２５度でありかつ比Ｈ／λの値が０．０３４７である場合の電気機械結合係数ｋ２の値は０．１６５である。
【００１８】
図８は、実施例１の弾性波素子１００１の圧電基板１１の回転Ｙ板のカット角ＣＡの値にそれぞれ対応する比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２の値を示す。
【００１９】
ＳｉＯ２よりなる誘電体層を備えた比較例の弾性波素子で、弾性波の漏れが生じない誘電体層の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１の値に対応する電気機械結合係数ｋ２の値が図４に示されている。電気機械結合係数ｋ２のこれらの値をＴａ２Ｏ５よりなる誘電体層１３を備えた実施例１の弾性波素子１００１で得るための膜厚Ｈ（比Ｈ／λ）の値は図６から読み取ることができる。図８は比較例の比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ１の値に対応する電気機械結合係数ｋ２を実施例１の弾性波素子１００１で得るための比Ｈ／λの値Ｒ３を併せて示す。図８に示すように、電気機械結合係数ｋ２の値が０．０９５である場合の誘電体層１３の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λの値は０．１２６である。同様に、電気機械結合係数ｋ２の値が０．０９１である場合の比Ｈ／λの値は０．１２６である。電気機械結合係数ｋ２が０．０８８である場合の比Ｈ／λの値は０．１２２である。電気機械結合係数ｋ２の値が０．０８３である場合の比Ｈ／λの値は０．１１８である。電気機械結合係数ｋ２の値が０．０７６である場合の比Ｈ／λの値は０．１１４である。
【００２０】
図８に示すように、比Ｈ／λの最小値Ｒｍｉｎ２と値Ｒ３はそれぞれ実質的に四角形の底辺と上辺とを形成する。実施例１の弾性波素子１００１の誘電体層１３の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λをこの四角形の範囲内に設定する。これにより、弾性波の漏れが生じない最低の膜厚Ｈを担保すると共に、ＳｉＯ２よりなる誘電体層を備えた比較例の弾性波素子よりも高い電気機械結合係数ｋ２を担保することができ、その結果、弾性波素子１００１の広帯域化を実現することができる。比Ｈ／λを図８に示すこの四角形の範囲に入れるために、圧電基板１１における回転Ｙ板のカット角ＣＡが２．５度以上７．５度未満である場合には比Ｈ／λは０．０３８〜０．１２６である。同様に、カット角ＣＡが７．５度以上１２．５度未満である場合には比Ｈ／λは０．０３４４〜０．１２６である。カット角ＣＡが１２．５度以上１７．５度未満である場合には比Ｈ／λは０．０３４５〜０．１２２である。カット角ＣＡが１７．５度以上２２．５度未満である場合には比Ｈ／λは０．０３４６〜０．１１８である。
【００２１】
このように、実施の形態１による弾性波素子１００１は、高い電気機械結合係数を有しかつ広帯域であるので、携帯電話等の各種通信機器に有用である。
【００２２】
（実施の形態２）
実施の形態２における弾性波素子は図１Ａ〜図１Ｃに示す実施の形態１における弾性波素子１００１と同様の構造を有する。
【００２３】
実施の形態２における弾性波素子では、圧電基板１１には、回転Ｙ板のカット角が２．５度以上２２．５度以下のＬｉＮｂＯ３基板を用いている。誘電体層１３の膜厚Ｈの、圧電基板１１における擬似弾性波Ｗの中心周波数の波長λに対する比Ｈ／λは０．１２３以下である。
【００２４】
以下に、誘電体層１３の膜厚Ｈについて説明する。図１Ｂにおける、アルミよりなる櫛歯電極１２の膜厚Ｔの波長λに対する比Ｔ／λを０．０８に設定して図１Ａと図１Ｂに示す構造を有し、圧電基板１１の回転Ｙ板のカット角ＣＡが０度、５度、１０度、１５度、２０度、２５度の実施の形態２による弾性波素子の実施例２の試料を作製した。Ｓｍｉｔｈ定数をＬｉＮｂＯ３の材料定数として用い、試料の音速をＣａｍｐｂｅｌｌらの方法で計算した。
【００２５】
図９は、圧電基板１１の回転Ｙ板のカット角ＣＡが０度、５度、１０度、１５度、２０度、２５度である場合の誘電体層１３の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λと、電気機械結合係数ｋ２との関係を示す。
【００２６】
水晶の電気機械結合係数ｋ２の値は０．００１である。図９に示すように、例えば回転Ｙ板のカット角ＣＡが１５度である場合は、比Ｈ／λを０．００７〜０．０４８と設定することで、実施例２の弾性波素子は、水晶の電気機械結合係数ｋ２の値よりも低い値の電気機械結合係数ｋ２を有する。同様に、カット角ＣＡが０度、５度、１０度、１５度、２０度、２５度である場合に、水晶の電気機械結合係数ｋ２の値よりも低い値の電気機械結合係数ｋ２が得られる比Ｈ／λの上限値Ｒ４と下限値Ｒ５を図１０に示す。すなわち、比Ｈ／λを上限値Ｒ４と下限値Ｒ５で囲まれた領域Ａ１に設定することで、実施の形態２による弾性波素子において水晶の電気機械結合係数ｋ２の値よりも低い値の電気機械結合係数ｋ２が得られる。
【００２７】
図１０に示すように、具体的には、圧電基板１１における回転Ｙ板のカット角ＣＡが−２．５度以上２．５度未満である場合には、誘電体層１３の膜厚Ｈの波長λに対する比Ｈ／λは０．０３８〜０．１２３に設定する。また、カット角ＣＡが２．５度以上７．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０．０１８〜０．１２３に設定する。また、カット角ＣＡが７．５度以上１２．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０．００７〜０．０７１に設定する。また、カット角ＣＡが１２．５度以上１７．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０よりも大きくかつ０．０４８以下に設定する、もしくは櫛歯電極１２の膜厚Ｔの波長λに対する比Ｔ／λよりも大きくかつ０．０４８以下に設定する。また、カット角ＣＡが１７．５度以上２２．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０よりも大きくかつ０．０３７以下に設定する、もしくは櫛歯電極１２の膜厚Ｔの波長λに対する比Ｔ／λよりも大きくかつ０．０３７以下に設定する。
【００２８】
実施の形態２による弾性波素子は、レイリー波の電気機械結合係数ｋ２が水晶の電気機械結合係数ｋ２よりも低いので、レイリー波の発生を抑制することができ、その結果としてスプリアスの発生を抑制することができ携帯電話等の各種通信機器に有用である。
【００２９】
図１１は実施の形態による他の弾性波素子の実施例３の圧電基板１１の回転Ｙ板のカット角ＣＡの値にそれぞれ対応する比Ｈ／λの上限値Ｒ６と下限値Ｒ７を示す。すなわち、比Ｈ／λを上限値Ｒ６と下限値Ｒ７で囲まれた領域Ａ２に設定する。実施例３の弾性波素子では、比Ｈ／λが、図８に示す実施例１の範囲と図１０に示す実施例２の範囲の双方に入るように設定されている。すなわち、圧電基板１１における回転Ｙ板のカット角ＣＡが２．５度以上７．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０．０３８〜０．１２３に設定する。また、カット角ＣＡが７．５度以上１２．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０．０３４８〜０．０７１に設定する。また、カット角ＣＡが１２．５度以上１７．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０．０３４５〜０．０４８に設定する。また、カット角ＣＡが１７．５度以上２２．５度未満である場合には、比Ｈ／λは０．０３４６〜０．０３７に設定する。
【００３０】
実施の形態２による実施例３の弾性波素子は、レイリー波の電気機械結合係数ｋ２が水晶の電気機械結合係数ｋ２よりも低いので、レイリー波の発生を抑制することができ、さらに、主要弾性波に関しては高い電気機械結合係数を有するので、その結果としてスプリアスの発生を抑制することができると共に広帯域な通過特性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明にかかる弾性波素子は、高い結合係数を担保し、広帯域化を容易にすることができるという効果を有し、携帯電話等の各種通信機器において有用である。
【符号の説明】
【００３２】
１１  圧電基板
１２  櫛歯電極
１３  誘電体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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